【導(dǎo)讀】完成日期：2021年6月5日。大連理工大學(xué)城市學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）?；贛ATLAB的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)仿真。直流調(diào)速系統(tǒng)具有調(diào)速范圍廣，精度高，動(dòng)態(tài)性能好和易于控制等。優(yōu)點(diǎn)，所以在電氣傳動(dòng)中獲得了廣泛應(yīng)用。數(shù)學(xué)模型，并詳細(xì)分析了系統(tǒng)的原理及其靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。動(dòng)控制原理，對(duì)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行分析和計(jì)算，利用。最后在理論分析和仿真研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一套實(shí)驗(yàn)用雙。閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，并詳細(xì)介紹了系統(tǒng)主電路，反饋電路，觸發(fā)電路及

　　

【正文】 統(tǒng)立即自動(dòng)恢復(fù)正常。這個(gè)作用對(duì)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行來(lái)說(shuō)是十分重要的。 調(diào)節(jié)器的具體設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)為雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，整流裝置采用三相橋式全控整流電路基本數(shù)據(jù)如下： （ 1）直流電動(dòng)機(jī)：額定電壓 NU =220V，額定電流 dNI =136A，額定轉(zhuǎn)速 Nn =1460r/min，電動(dòng)機(jī)電勢(shì)系數(shù)： eC = min/r （ 2）晶閘管裝置放大系數(shù)： sK =30 （ 3）電樞回路總電阻： R =? （ 4）時(shí)間常數(shù)：電磁時(shí)間常數(shù) lT = 機(jī)電時(shí)間常數(shù) mT = 基于 MATLAB 的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)仿真 32 （ 5）調(diào) 節(jié)器輸入電阻 0R =20?k （ 6）反饋關(guān)鍵參數(shù)： AVIU nim 12* ???? ?? )m i n(* rVnU nnm ???? 設(shè)計(jì)指標(biāo) ： （ 1） 靜態(tài)指標(biāo)：無(wú)靜差； （ 2） 動(dòng)態(tài)指標(biāo)：電流超調(diào)量 %5?i? ；空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量 %15?n? 。 電流環(huán)的設(shè)計(jì) （ 1）確定時(shí)間常數(shù) 整流裝置滯后時(shí) 間常數(shù) ： sT =；（見(jiàn)附錄表一） 電流濾波時(shí)間常數(shù) ： oiT = s（ 三相橋式電路每個(gè)波頭是時(shí)間是，為了基本濾平波頭，應(yīng)有（ 1～ 2） oiT =，因此取oiT =2ms=） ； 電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和 ： 按小時(shí)間常數(shù)近似處理 oisi TTT ??? （ sT 和 oiT 一般都比 lT 小得多 ,可以當(dāng)作小慣性群近似地看作是一個(gè)慣性環(huán)節(jié) ） 。 （ 2）選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) 根據(jù)設(shè)計(jì)要求： %5?i? ，并保證穩(wěn)態(tài)電流無(wú)差 ，可按典型Ⅰ型設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對(duì)象是雙慣性型的 ， 所以把電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)成PI 型的 。 檢查對(duì)電源電壓的抗擾性能 ： ???? ssTT il， 由附錄表二 ， 各項(xiàng)指標(biāo)可接受 。 （ 3）選擇電流調(diào)節(jié)器的參數(shù) ACR 超前時(shí)間常 數(shù) sTli ??? ； 基于 MATLAB 的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)仿真 33 電流環(huán)開(kāi)環(huán)時(shí)間增益 003 ?? ??? sTK iI； ACR 的比例系數(shù) ?? ???? ??s iIi K RKK。 （ 4）校驗(yàn)近似條件 電流環(huán)截止頻率 ??? sK ici? ； a、 晶閘管裝置傳遞函數(shù)近似條件： sci T31?? ，現(xiàn)為 13 1 ???? sTs，滿足近似條件 。 b、 忽略反電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流環(huán)影響的條件： lmci TT13?? ， 現(xiàn)為 cilmsTT ?????? ? 1313 ，滿足近似條件 。 c、 小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件： oisci TT131?? ，現(xiàn)為 cioissTT ?????? ? 131131 ，滿足近似條件 。 d、 電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)指標(biāo)為： %5% ??i? ，也滿足設(shè)計(jì)要求。 轉(zhuǎn)速 環(huán)的設(shè)計(jì) （ 1）確定時(shí)間常數(shù) a、 電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)IK1 ： sTK iI 1 ???? ? ； b、 轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)： sTon ? ； c、 轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù) 處理： sTTT onin ????? ?? 。 （ 2）選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) 基于 MATLAB 的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)仿真 34 按跟隨和抗擾性能都能較好的原則 ， 在負(fù)載擾動(dòng)點(diǎn)后已經(jīng)有了一個(gè)積分環(huán)節(jié) ， 為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差 ， 還必須在擾動(dòng)作用點(diǎn)以前設(shè)置一個(gè)積分環(huán)節(jié) ， 因此需要Ⅱ由設(shè)計(jì)要求，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)，故按典型Ⅱ型系統(tǒng) — 選用設(shè)計(jì) PI 調(diào)節(jié)器。典型Ⅱ型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標(biāo)見(jiàn)附錄表三。 （ 3）選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù) ASR 超前時(shí)間常數(shù)： shT nn ???? ?? 轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)增益： 22222 152 1 ?? ??? ???? sThhK nN ASR 的比例系數(shù)： )1( ????? ?????? ? n men RTh TChK ? ? （ 4）近似校驗(yàn) 轉(zhuǎn)速截止頻率為： 111 ?? ????? ssKK NNN ??? a、 電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件：i sT ????? ?? 15 1， 滿足條件 。 b、 轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件： oni sTT ??????? ?? 1312 131。 （ 5）檢驗(yàn)轉(zhuǎn)速超調(diào)量 當(dāng) h=5 時(shí)， %?n? ， 不能滿足要求 。 按 ASR 退飽和的情況計(jì)算超調(diào)量 ： % ??bCC ， m i rC RInedn ????? ，滿足設(shè)計(jì)要求。 基于 MATLAB 的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)仿真 35 雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的 MATLAB 仿真 MATLAB 簡(jiǎn)介 系統(tǒng)仿真和調(diào)試在設(shè)計(jì)電路時(shí)，要對(duì)所設(shè)計(jì)的電路的性能進(jìn)行預(yù)計(jì)、判斷和校驗(yàn)。過(guò)去常用數(shù)學(xué)和物理這兩種方法，它們對(duì)設(shè)計(jì)規(guī)模較小的一般電路是可行的。隨著大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展，電路品種日新月異，規(guī)模越來(lái)越大，同時(shí)對(duì)電路的可靠性、性價(jià)比也越來(lái)越高，原來(lái)的方法已完全不能適應(yīng)電路的要求。控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)法仿真是一門涉及到控制理論、計(jì)算機(jī)技術(shù)的綜合性新興學(xué)科。 它是以控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)為工具，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的一種方法。系統(tǒng)仿真就是用模型代替實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和研究，而計(jì)算機(jī)仿真能夠?yàn)楦鞣N試驗(yàn)提供方便、靈活可靠的數(shù)學(xué)模型。目前應(yīng)用的比較多的是 MATLAB，它包含了強(qiáng)大的仿真器和仿真庫(kù)。使用 MATLAB 對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真的主要方法是：以控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，使用 MATLAB 的Simulink 工具箱，從元件庫(kù)中選取所需的元件，連接好原理圖，加上激勵(lì)源，然后單擊仿真按鈕即可自動(dòng)開(kāi)始，可以同時(shí)觀察復(fù)雜的模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)波形，以及得到電路性能的全 部波形 [5， 7]。 電流環(huán)的 MATLAB 仿真 進(jìn)入 MATLAB，單擊 MATLAB 命令窗口工具欄中的 SIMULINK 圖標(biāo)，打開(kāi) SIMULINK 模塊瀏覽器窗口，建立電流環(huán)的仿真模型，如圖 44 所示。 雙擊階躍輸入模塊可以把階躍時(shí)刻參數(shù)從默認(rèn)的 1 改為 0，把階躍值從默認(rèn)的 1 改為 10。 單擊啟動(dòng)仿真工具條的按鈕則可啟動(dòng)仿真過(guò)程，再雙擊示波器模塊就可以顯示仿真結(jié)果，如圖 45 所示。從仿真結(jié)果可以看出，電流環(huán)的參數(shù)設(shè)定 使得超調(diào)量小，并且動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，符合設(shè)計(jì)要求。 基于 MATLAB 的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)仿真 36 圖 44 直流電動(dòng)機(jī)電流環(huán)的仿真 模型 圖 45 電流 環(huán) 仿真結(jié)果 基于 MATLAB 的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)仿真 37 轉(zhuǎn)速環(huán)的 MATLAB 仿真 按照前面電流環(huán)的仿真模型的建立方法，得到轉(zhuǎn)速環(huán)的仿真模型，如圖 46 所示。在仿真模型中增加了一個(gè)飽和非線性模塊，用其來(lái)把飽和上界和下界參數(shù)設(shè)定為 +10 和 10。 在電流環(huán)的仿真模型中，是用了 Transfer F 模塊來(lái)仿真 PI 調(diào)節(jié)器，在轉(zhuǎn)速環(huán)的仿真模型中，而是用了 Gain 模塊來(lái)仿真比例器，用Integrator 模塊個(gè) Gain 模塊的串接來(lái)仿真積分器，兩者通過(guò)加法器模塊 Sum 構(gòu)成了 PI 調(diào)節(jié)器。 雙擊階躍輸入模塊確定階躍值的大小，得到高速啟動(dòng)時(shí)的 波形圖，如圖 47 所示。 啟動(dòng)過(guò)程分為電流上升、恒流升速和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)三個(gè)階段。如果從轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的角度來(lái)考慮全部啟動(dòng)過(guò)程，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在此三個(gè)階段中是經(jīng)歷了不飽和。飽和以及 退飽和三種情況。 圖 46 直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速環(huán)的仿真模型 基于 MATLAB 的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)仿真 38 圖 47 轉(zhuǎn)速環(huán)仿真結(jié)果 雙閉環(huán)可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的 MATLAB 仿真 基于電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)的仿真模型， 結(jié)合直流 PWM 變換器的模型，得到了雙閉環(huán)可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型，如圖 48 所示。 直流 PWM 變換器的作用是用脈沖寬度調(diào)制的方法，把恒定的直流電源電壓調(diào)制成頻率 一定、寬度可變的脈沖序列，從而可以改變平均輸出電壓的大小，以調(diào)節(jié)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。 雙閉環(huán)可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的仿真結(jié)果，如圖 49 所示。從仿真結(jié)果可以看出，在起動(dòng)階段電動(dòng)機(jī)以恒流起動(dòng)，起動(dòng)過(guò)程結(jié)束時(shí)，電樞電流下降到零，轉(zhuǎn)速上升到最大，電動(dòng)機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行。 基于 MATLAB 的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)仿真 39 圖 48 雙閉環(huán)可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)仿真模型 基于 MATLAB 的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)仿真 40 圖 49 雙閉環(huán)可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)仿真結(jié)果 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)存在的問(wèn)題： 用一個(gè)調(diào)節(jié)器綜合多種信號(hào)，各參數(shù)間有相互影響； 環(huán)內(nèi)的任何擾動(dòng)，只有等到轉(zhuǎn)速出現(xiàn)偏差才能進(jìn)行調(diào)節(jié)，因而轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)降落大； 電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)限制起動(dòng)電流，不能充分利用電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力獲得最快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，起動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)很好的解決了這些問(wèn)題，雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由于增設(shè)了電流內(nèi)環(huán)，電壓波動(dòng)可以通過(guò)電流反饋得到比較及時(shí)的調(diào)節(jié)，不必等響應(yīng)到轉(zhuǎn)速以后才能反映過(guò)來(lái)，抗擾性能大有改善。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)具有的特點(diǎn)： 具有良好的靜特性； 具有較好的動(dòng)態(tài)特性，起動(dòng)時(shí)間短，超調(diào)量較?。? 系統(tǒng)抗擾動(dòng)能力強(qiáng)，電流環(huán)能較好的克服電網(wǎng)電壓波動(dòng)的影響，而轉(zhuǎn)速環(huán)能抑制 被它包圍的各個(gè)環(huán)節(jié)擾動(dòng)的影響，并最終消除轉(zhuǎn)速偏差； 基于 MATLAB 的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)仿真 41 由兩個(gè) 調(diào)節(jié)器分別調(diào)節(jié)電流和轉(zhuǎn)速。這樣，可以分別進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)節(jié)（先調(diào)好電流環(huán)，再調(diào)好轉(zhuǎn)速環(huán)），調(diào)整方便。 基于 MATLAB 的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)仿真 42 總 結(jié) 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是性能很好，應(yīng)用最廣的直流調(diào)速系統(tǒng)，采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可獲得優(yōu)良的靜、動(dòng)態(tài)調(diào)速特性。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的控制規(guī)律，性能特點(diǎn)和設(shè)計(jì)方法是各種交、直流電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)。 總之，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我不僅 在知識(shí)上有了進(jìn)一步的鞏固 ，而且學(xué)會(huì)了獨(dú)立的去發(fā)現(xiàn) 、 面對(duì) 、 分析 、 解決新問(wèn)題的能力，在 學(xué)到了知識(shí) 的同時(shí) ，又鍛煉了自己的能力，使我 受益匪淺 。 基于 MATLAB 的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)仿真 43 致 謝 首先感謝我尊敬的梅彥平老師，本論文是在她的悉心指導(dǎo)和關(guān)懷下完成的。梅老師淵博的學(xué)識(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)風(fēng)給我的學(xué)習(xí) 帶來(lái) 莫大的幫助。同時(shí)她求實(shí)進(jìn)取的作風(fēng)、正值無(wú)私的精神和豁達(dá)的胸襟展現(xiàn)了一位學(xué)者的思想境界和人格魅力，為我樹(shù)立了學(xué)習(xí)的榜樣。 畢業(yè)設(shè)計(jì)是學(xué)生在校期間最后一個(gè)重要的綜合性實(shí)踐環(huán)節(jié)，是學(xué)生全面運(yùn)用所學(xué)基礎(chǔ)理論、專業(yè)知識(shí)基本技能，對(duì)實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行設(shè)計(jì)和研究的綜合訓(xùn)練。正是有了這次設(shè)計(jì)，讓我在大學(xué)四年的最后一個(gè)學(xué)期過(guò)的豐富而又充實(shí)，我 應(yīng)該拿出作畢業(yè)設(shè)計(jì)的這份精神和態(tài)度去面對(duì)以后工作中所面臨的難題，為以后的發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 再一次感謝所有給予我?guī)椭睦蠋熀屯瑢W(xué)！ 基于 MATLAB 的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)仿真 44 參考文獻(xiàn) [1]陳伯時(shí) .電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng) .機(jī)械工業(yè)出版社， 2021 [2]鄒伯敏 .自動(dòng)控制理論 .機(jī)械工業(yè)出版社 2021 [3]章燕申 ,袁曾任 .控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)踐 .清華大學(xué)出版社 , [4]王兆安 ,黃俊 .電力電子技術(shù) .機(jī)械工業(yè)出版社， 2021 [5]周淵深 .交直流調(diào)速系統(tǒng)與 MATLAB仿真 .中國(guó)電力出版社 ,2021. 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